JP2018135487A - Polymer, electrolyte membrane, and solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】化学的な耐久性に優れ、且つ、溶媒への溶解性にも優れたポリマーの提供。
【解決手段】式(1)で表される繰り返し単位を有するポリマー及びその電解質膜。
(R1〜R10は各々独立にH、C1〜4のアルキル基又はフェニル基;Arはイオン官能基を有する2価の芳香族基;前記イオン官能基は鎖状もしくは環状の4級アンモニウムカチオン又はスルホ基、燐酸基或いはカルボキシ基)
【選択図】なし[Problem] To provide a polymer having excellent chemical durability and excellent solubility in a solvent.
A polymer having a repeating unit represented by formula (1) and an electrolyte membrane thereof.
(R1 to R10 are each independently H, C1-4 alkyl group or phenyl group; Ar is a divalent aromatic group having an ionic functional group; the ionic functional group is a linear or cyclic quaternary ammonium cation or sulfo group. Group, phosphoric acid group or carboxy group)
[Selection figure] None
Description
本発明は、ポリマー、前駆体、触媒層、及び固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer, a precursor, a catalyst layer, and a polymer electrolyte fuel cell.
近年注目を集める固体高分子形燃料電池(PEFCs)は、高効率・低環境負荷型の次世代発電システムとして期待される分野である。 Polymer polymer fuel cells (PEFCs), which have attracted attention in recent years, are expected to be used as next-generation power generation systems with high efficiency and low environmental load.
本発明者らは、当該PEFCs用の電解質膜用のポリマーに関するさまざまな検討を行ってきた。例えば特許文献1では、膨潤耐性が高く、イオン交換基を高密度に集積したプロトン伝導度の高いプロトン伝導性材料として、特定の親水部と、特定の疎水部とを有し、前記親水部及び前記疎水部の少なくとも一方に特定の環式化合物を含む繰り返し単位を有するプロトン伝導性材料を開示している。 The present inventors have conducted various studies on the polymer for the electrolyte membrane for PEFCs. For example, Patent Document 1 has a specific hydrophilic portion and a specific hydrophobic portion as a proton conductive material having high swelling resistance and high proton conductivity in which ion exchange groups are densely integrated. A proton conductive material having a repeating unit containing a specific cyclic compound in at least one of the hydrophobic parts is disclosed.
固体高分子形燃料電池に用いられる電解質膜用のポリマーとしては、燃料電池の長期運転などのため、ラジカルやアルカリなどに対する化学的な耐久性に優れたポリマーが求められている。一方、化学的な耐久性の観点から、ポリマーの主鎖を全芳香族とした場合には、溶媒への溶解性が低下し、成膜時のハンドリング性が悪くなることがあった。 As a polymer for an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, a polymer excellent in chemical durability against radicals and alkalis is required for long-term operation of the fuel cell. On the other hand, from the viewpoint of chemical durability, when the main chain of the polymer is fully aromatic, the solubility in a solvent is lowered, and the handling property during film formation may be deteriorated.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、化学的な耐久性に優れ、且つ、溶媒への溶解性にも優れたポリマー、当該ポリマーを含む電解質膜、及び、当該電解質膜を備えた固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and includes a polymer excellent in chemical durability and solubility in a solvent, an electrolyte membrane containing the polymer, and the electrolyte membrane. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell.
本発明に係るポリマーは、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有することを特徴とする。 The polymer according to the present invention has a repeating unit represented by the following general formula (1).
本発明のポリマーの一実施形態は、前記Arが、下記一般式(2)〜下記一般式(9)より選択される1種以上である。 In one embodiment of the polymer of the present invention, the Ar is one or more selected from the following general formula (2) to the following general formula (9).
(一般式(2)〜一般式(9)中のRbは、各々独立にイオン官能基であり、nはアルキル鎖の炭素原子数を表し、各々独立に、1以上12以下の整数である。)
( Rb in the general formula (2) to the general formula (9) each independently represents an ionic functional group, n represents the number of carbon atoms in the alkyl chain, and each independently represents an integer of 1 or more and 12 or less. .)
本発明のポリマーの一実施形態は、前記イオン官能基が、下記一般式(10)〜下記一般式(13)より選択される1種以上である。 In one embodiment of the polymer of the present invention, the ionic functional group is one or more selected from the following general formula (10) to the following general formula (13).
本発明のポリマーの一実施形態は、前記Arが、下記一般式(14)〜下記一般式(19)より選択される1種以上である。
本発明は、前記本発明に係るポリマーを含む電解質膜を提供する。
また、本発明は、前記本発明に係る電解質膜を備えた、固体高分子形燃料電池を提供する。
The present invention provides an electrolyte membrane comprising the polymer according to the present invention.
The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell comprising the electrolyte membrane according to the present invention.
本発明によれば、化学的な耐久性に優れ、且つ、溶媒への溶解性にも優れたポリマー、当該ポリマーを含む電解質膜、及び、当該電解質膜を備えた固体高分子形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there are provided a polymer excellent in chemical durability and solubility in a solvent, an electrolyte membrane containing the polymer, and a polymer electrolyte fuel cell including the electrolyte membrane. can do.
以下、本発明に係るポリマー、電解質膜、及び、固体高分子形燃料電池について順に詳細に説明する。
なお、本明細書中、R1〜Rnとは、特に断りが無い限り、R1、R2・・・・、及びRnの各々を表すものとする。
Hereinafter, the polymer, the electrolyte membrane, and the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described in detail in order.
In the present specification, R 1 to R n represent each of R 1 , R 2 ..., And R n unless otherwise specified.
1.ポリマー
本発明に係るポリマーは、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有することを特徴とする。
1. Polymer The polymer according to the present invention has a repeating unit represented by the following general formula (1).
上記本発明のポリマーは、化学的な耐久性に優れ、且つ、溶媒への溶解性にも優れている。
上記本発明のポリマーがこれらの効果を有する作用については未解明な部分もあるが以下のように推定される。
電解質膜用のポリマーとして広く用いられているポリマーは主鎖にエーテル結合やその他のヘテロ原子を有している(例えば特許文献1)。また、多くのポリマーは主鎖に脂肪属性の炭化水素を有している。本発明者らは鋭意検討の結果、主鎖にエーテル結合を有するポリマーは、アルカリやラジカル存在下で分解されることがあり、また、主鎖に脂肪族性の炭化水素を有するポリマーは、主にラジカル存在下で分解されることがあるとの知見を得た。
このような観点から、本発明者らは、主鎖が全芳香族、すなわち、主鎖を構成する各元素がいずれも芳香属環に含まれているポリマーを検討した。しかしながら、このようなポリマーはアルカリやラジカルへの耐性に優れている一方、π−πスタッキングしやすく、溶媒への溶解性が低下し、例えば、電解質膜を成膜するなど、加工時におけるハンドリング性に問題があった。
本発明のポリマーは、上記一般式(1)に示されるように、イオン官能基を有する2価の芳香族基と、スピロビフルオレン骨格とが交互に繰り返された構造を有している。当該ポリマーは、主鎖骨格を構成する各元素が芳香族環に属するか、又は、水素原子を有しないスピロ原子であり、主鎖骨格がエーテル結合を有しないため、アルカリやラジカル存在下での分解が抑制され、化学的な耐久性に優れているものと推定される。また、スピロビフルオレン骨格は、スピロ原子を介して2つのフルオレンがほぼ直角にねじれた構造をしており、当該フルオレン骨格が主鎖を構成することにより、主鎖全体が多数の折れ曲がりをもった状態となっている。そのため、主鎖の平面性が低下するため、π−πスタッキングが阻害され、溶媒への溶解性にも優れているものと推定される。
The polymer of the present invention is excellent in chemical durability and solubility in a solvent.
The action of the polymer of the present invention having these effects is unclear, but is estimated as follows.
A polymer widely used as a polymer for an electrolyte membrane has an ether bond or other hetero atom in the main chain (for example, Patent Document 1). In addition, many polymers have aliphatic hydrocarbons in the main chain. As a result of intensive studies, the present inventors have found that a polymer having an ether bond in the main chain may be decomposed in the presence of an alkali or a radical, and a polymer having an aliphatic hydrocarbon in the main chain is It was found that it may be decomposed in the presence of radicals.
From such a point of view, the present inventors examined a polymer in which the main chain is wholly aromatic, that is, each of the elements constituting the main chain is contained in the aromatic ring. However, such polymers have excellent resistance to alkalis and radicals, but are easy to π-π stacking and have low solubility in solvents. For example, an electrolyte membrane is formed. There was a problem.
As shown in the general formula (1), the polymer of the present invention has a structure in which a divalent aromatic group having an ionic functional group and a spirobifluorene skeleton are alternately repeated. In the polymer, each element constituting the main chain skeleton belongs to an aromatic ring or is a spiro atom having no hydrogen atom, and the main chain skeleton does not have an ether bond. It is estimated that decomposition is suppressed and chemical durability is excellent. In addition, the spirobifluorene skeleton has a structure in which two fluorenes are twisted at almost right angles through a spiro atom, and the fluorene skeleton constitutes a main chain, so that the entire main chain has a large number of bends. It is in a state. Therefore, since the planarity of the main chain is lowered, it is presumed that π-π stacking is inhibited and the solubility in a solvent is excellent.
上記一般式(1)におけるR1〜R10は、各々独立に、水素原子、炭素原子数が1以上4以下のアルキル基、又は、フェニル基である。炭素原子数が1以上4以下のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、tert−ブチル基などが挙げられる。本発明のポリマーにおいては、溶解性向上の観点から、R1及びR10の少なくとも一方が、アルキル基であることが好ましく、R1及びR10がアルキル基であることがより好ましく、更に、R1及びR10がtert−ブチル基であることがより好ましい。R1及びR10の少なくとも一方に嵩高い置換基を有することにより、π−πスタッキングなどによるポリマーの凝集が抑制されて、溶媒への溶解性が向上する。一方、R1〜R8は、各々独立に、水素原子又はメチル基であることが好ましく、水素原子であることがより好ましい。 R 1 to R 10 in the general formula (1) are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a phenyl group. Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a tert-butyl group. In the polymers of the present invention, from the viewpoint of enhancing solubility, at least one of R 1 and R 10 is preferably an alkyl group, more preferably R 1 and R 10 is an alkyl group, In addition, R More preferably, 1 and R 10 are tert-butyl groups. By having a bulky substituent in at least one of R 1 and R 10 , polymer aggregation due to π-π stacking or the like is suppressed and solubility in a solvent is improved. On the other hand, R 1 to R 8 are each independently preferably a hydrogen atom or a methyl group, and more preferably a hydrogen atom.
上記一般式(1)におけるArは、イオン官能基を有する2価の芳香族基である。当該芳香族基を構成する芳香環はポリマーの主鎖を構成する。そのため、本発明のポリマーはアルカリやラジカルに対する耐性に優れている。当該芳香族基を構成する芳香環としては、炭素環からなる芳香族炭化水素環の他、O(酸素原子)、N(窒素原子)、S(硫黄原子)を含む複素環であってもよい。芳香族炭化水素環としては、ベンゼン環の他、ナフタレン環、テトラリン環、インデン環、フルオレン環、アントラセン環、フェナントレン環等の縮合多環芳香族炭化水素基;ビフェニル、ターフェニル等の鎖状多環式炭化水素基が挙げられる。また、複素環としては、フラン、チオフェン、ピロール、オキサゾール、チアゾール、イミダゾール、ピラゾール等の5員複素環;ピラン、ピロン、ピリジン、ピロン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン等の6員複素環;ベンゾフラン、チオナフテン、インドール、カルバゾール、キノリン、イソキノリン、アクリジン、フタラジン、キナゾリン、キノキサリン、ベンゾジチオフェン等の縮合多環式複素環が挙げられる。 Ar in the general formula (1) is a divalent aromatic group having an ionic functional group. The aromatic ring constituting the aromatic group constitutes the main chain of the polymer. Therefore, the polymer of the present invention is excellent in resistance to alkalis and radicals. The aromatic ring constituting the aromatic group may be a heterocyclic ring containing O (oxygen atom), N (nitrogen atom), and S (sulfur atom) in addition to an aromatic hydrocarbon ring composed of a carbocyclic ring. . As the aromatic hydrocarbon ring, in addition to a benzene ring, condensed polycyclic aromatic hydrocarbon groups such as naphthalene ring, tetralin ring, indene ring, fluorene ring, anthracene ring, phenanthrene ring; A cyclic hydrocarbon group is mentioned. The heterocyclic ring includes 5-membered heterocycles such as furan, thiophene, pyrrole, oxazole, thiazole, imidazole, and pyrazole; 6-membered heterocycles such as pyran, pyrone, pyridine, pyrone, pyridazine, pyrimidine, and pyrazine; And condensed polycyclic heterocycles such as indole, carbazole, quinoline, isoquinoline, acridine, phthalazine, quinazoline, quinoxaline, and benzodithiophene.
前記Arは、前記芳香環の置換基としてイオン官能基を有している。当該イオン官能基は、前記芳香環に直接結合していてもよく、炭素原子数が1以上12以下のアルキル基を介して結合していてもよい。イオン官能基が後述する酸性基の場合には、芳香環に直接結合していることが好ましい。一方、イオン官能基が後述する4級アンモニウム基又はイミダゾリウム基である場合にはアルキル基を介して芳香環に結合していていることが好ましい。 Ar has an ionic functional group as a substituent of the aromatic ring. The ionic functional group may be directly bonded to the aromatic ring, or may be bonded via an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms. In the case where the ionic functional group is an acidic group described later, it is preferably directly bonded to the aromatic ring. On the other hand, when the ionic functional group is a quaternary ammonium group or imidazolium group described later, it is preferably bonded to the aromatic ring via an alkyl group.
本発明のポリマーにおいては、化学的な耐久性に優れ、且つ、溶媒への溶解性にも優れている点から、前記Arが、下記一般式(2)〜下記一般式(9)より選択される1種以上であることが好ましい。 In the polymer of the present invention, Ar is selected from the following general formula (2) to the following general formula (9) from the viewpoint of excellent chemical durability and solubility in a solvent. It is preferable that it is 1 or more types.
本発明のポリマーを多孔性高分子とする場合には、上記一般式(8)におけるnは、1又は2であることが好ましい。 When the polymer of the present invention is a porous polymer, n in the general formula (8) is preferably 1 or 2.
前記Arにおけるイオン官能基は特に限定されず、公知のイオン性基の中から用途に応じて適宜選択すればよい。本発明のポリマーにプロトン伝導性を付与する場合には、イオン官能基が、スルホ基(−SO3H基)、リン酸基(−HPO3基)、カルボキシ基(−COOH基)等の酸性基であることが好ましく、中でも、スルホ基が好ましい。また、本発明のポリマーにアニオン伝導性を付与する場合には、イオン官能基が4級アンモニウム基又はイミダゾリウム基であることが好ましい。また、前記4級アンモニウム基は、更に、4級アルキルアンモニウム基であることが好ましい。なお、当該4級アルキルアンモニウム基は、窒素原子に結合するアルキル基同士が結合して環構造を形成しているものも含まれる。具体的には、例えば、アザアダマンチル基、キヌクリジニウム基などが挙げられる。 The ionic functional group in Ar is not particularly limited, and may be appropriately selected from known ionic groups according to the application. When proton conductivity is imparted to the polymer of the present invention, the ionic functional group is acidic such as a sulfo group (—SO 3 H group), a phosphoric acid group (—HPO 3 group), a carboxy group (—COOH group), etc. It is preferably a group, and among them, a sulfo group is preferable. In addition, when anion conductivity is imparted to the polymer of the present invention, the ionic functional group is preferably a quaternary ammonium group or an imidazolium group. The quaternary ammonium group is preferably a quaternary alkyl ammonium group. The quaternary alkylammonium group includes those in which alkyl groups bonded to a nitrogen atom are bonded to form a ring structure. Specific examples include an azaadamantyl group and a quinuclidinium group.
本発明のポリマーは、水酸化物イオンに対する耐久性に優れているため、アニオン交換膜として好適に使用することができる。このような観点から、本発明のポリマーは、アニオン伝導性ポリマーとして好適に用いることができ、この場合、イオン官能基が4級アンモニウム基又はイミダゾリウム基であることが好ましい。 Since the polymer of the present invention has excellent durability against hydroxide ions, it can be suitably used as an anion exchange membrane. From such a viewpoint, the polymer of the present invention can be suitably used as an anion conductive polymer. In this case, the ionic functional group is preferably a quaternary ammonium group or an imidazolium group.
このような観点から、本発明のポリマーは、前記イオン官能基が、下記一般式(10)〜下記一般式(13)より選択される1種以上であることが好ましい。 From such a viewpoint, the polymer of the present invention preferably has one or more ionic functional groups selected from the following general formula (10) to the following general formula (13).
R11〜R13における、炭素原子数が1以上6以下の、直鎖、分岐、又は環状のアルキル基の好適な具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。また、R14〜R17における、炭素原子数1以上4以下のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられる。また、置換基としてメチル基を有してもよいフェニル基としては、3,5−ジメチルフェニル基などが挙げられる。
また、一般式(10)〜一般式(13)におけるA−は、カウンターアニオンであり、1価のものに限られず、2価以上のものであってもよい。当該A−としては、無機アニオンであることが好ましく、具体的には、塩化物イオン(Cl−)、臭化物イオン(Br−)、ヨウ化物イオン(I−)、炭酸水素イオン(HCO3 −)、炭酸イオン(CO3 2−)、水酸化物イオン(OH−)などが挙げられる。
Preferred examples of the linear, branched, or cyclic alkyl group having 1 to 6 carbon atoms in R 11 to R 13 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, A hexyl group, a cyclohexyl group, etc. are mentioned. Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms in R 14 to R 17 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a butyl group. Examples of the phenyl group that may have a methyl group as a substituent include 3,5-dimethylphenyl group.
Moreover, A < - > in General formula (10)-General formula (13) is a counter anion, and is not restricted to a monovalent thing, The thing more than bivalence may be sufficient. The A − is preferably an inorganic anion, specifically, chloride ion (Cl − ), bromide ion (Br − ), iodide ion (I − ), bicarbonate ion (HCO 3 − ). , Carbonate ion (CO 3 2− ), hydroxide ion (OH − ) and the like.
また、イオン官能基が酸性基の場合においては、前記Arが下記一般式(14)〜下記一般式(19)より選択される1種以上であることが好ましい。 Moreover, when an ionic functional group is an acidic group, it is preferable that said Ar is 1 or more types selected from following General formula (14)-following General formula (19).
本発明のポリマーは、本発明の効果を損なわない範囲で、前記一般式(1)で表される構成単位とは異なる部位を有していてもよい。このような部位としては、例えば、前記一般式(1)で表される構成単位のArにイオン官能基が導入されていない部位などが挙げられる。 The polymer of this invention may have a site | part different from the structural unit represented by the said General formula (1) in the range which does not impair the effect of this invention. Examples of such a site include a site where an ionic functional group is not introduced into Ar of the structural unit represented by the general formula (1).
本発明のポリマーにおいて、前記一般式(1)で表される繰り返し単位の繰り返し単位数は特に限定されないが、通常、2以上1,000以下であり、10以上1,000以下であることが好ましい。
本発明のポリマーの質量平均分子量(Mw)は、特に限定されないが、通常、1,000以上300,000以下である。
また、本発明のポリマーの数平均分子量(Mn)は、特に限定されないが、通常、1,000以上300,000以下である。
In the polymer of the present invention, the number of repeating units represented by the general formula (1) is not particularly limited, but is usually 2 or more and 1,000 or less, and preferably 10 or more and 1,000 or less. .
The mass average molecular weight (Mw) of the polymer of the present invention is not particularly limited, but is usually 1,000 or more and 300,000 or less.
The number average molecular weight (Mn) of the polymer of the present invention is not particularly limited, but is usually 1,000 or more and 300,000 or less.
また、本発明のポリマーを燃料電池用の電解質膜として適用する場合には、前記ポリマー中のイオン官能基密度が、0.5mmol/g以上4mmol/g以下であることが好ましい。 Moreover, when applying the polymer of this invention as an electrolyte membrane for fuel cells, it is preferable that the ionic functional group density in the said polymer is 0.5 mmol / g or more and 4 mmol / g or less.
本発明のポリマーは、溶媒への溶解性、特に、テトラヒドロフラン、クロロホルム等への溶解性に優れているため、成膜等のハンドリング性に優れている。また、化学的な耐久性にも優れているため、固体高分子形燃料電池用の電解質膜などに好適に用いることができる。 Since the polymer of the present invention is excellent in solubility in a solvent, particularly in tetrahydrofuran, chloroform and the like, it is excellent in handling properties such as film formation. Moreover, since it is excellent also in chemical durability, it can be suitably used for an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.
本発明のポリマーの合成方法は特に限定されないが、好適な一例として、下記スキーム1の方法が挙げられる。 The method for synthesizing the polymer of the present invention is not particularly limited, but a preferred example is the method of Scheme 1 below.
上記スキーム1の例では、所望の置換基Rbを有する化合物(A)から、臭素化されたスピロビフルオレン骨格を有する化合物(B)を合成する(ステップ(i)〜ステップ(vii))。これとは別に、所望の芳香族環(スキーム1の例ではベンゼン環)を有する臭素化物(C)にビス(ピナコラート)ジボランを反応させて一般式(1)におけるArの前駆体となる化合物(D)を合成する(ステップ(viii))。前記化合物(B)と前記化合物(D)とを重合させた後、所望のイオン官能基を導入することにより、一般式(1)で表されるポリマーが得られる(ステップ(ix)〜ステップ(xi))。
なお、上記各反応条件の詳細は、後述の実施例の通りであるためここでの説明は省略する。
In the example of Scheme 1 above, a compound (B) having a brominated spirobifluorene skeleton is synthesized from the compound (A) having a desired substituent R b (step (i) to step (vii)). Separately from this, a compound (Ar) in general formula (1) is reacted with bromide (C) having a desired aromatic ring (benzene ring in the example of Scheme 1) by reacting with bis (pinacolato) diborane ( D) is synthesized (step (viii)). After polymerizing the compound (B) and the compound (D), a polymer represented by the general formula (1) is obtained by introducing a desired ionic functional group (step (ix) to step (ix)). xi)).
In addition, since the detail of each said reaction condition is as the below-mentioned Example, description here is abbreviate | omitted.
2.電解質膜
本発明に係る電解質膜は、固形高分子形燃料電池の電解質膜として好適に用いられるものであり、前記本発明に係るポリマーを含むことを特徴とする。前記本発明のポリマーを含むことにより、耐久性に優れた電解質膜を得ることができる。電解質膜の製造方法は特に限定されないが、前記本発明に係るポリマーが溶媒への溶解性に優れているため、当該ポリマーの溶液を調製し、従来公知の塗布手段を用いて塗膜とし、乾燥することにより、前記本発明に係るポリマーを含む電解質膜を得ることができる。
2. Electrolyte Membrane The electrolyte membrane according to the present invention is suitably used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, and includes the polymer according to the present invention. By including the polymer of the present invention, an electrolyte membrane excellent in durability can be obtained. The method for producing the electrolyte membrane is not particularly limited, but since the polymer according to the present invention is excellent in solubility in a solvent, a solution of the polymer is prepared, and a coating film is formed using a conventionally known coating means, and dried. By doing so, an electrolyte membrane containing the polymer according to the present invention can be obtained.
3.固体高分子形燃料電池
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、前記本発明の電解質膜を備えることを特徴とする。本発明の固体高分子形燃料電池は、前記本発明に係るポリマーを含む電解質膜を備えているため、長期運転に耐えられる耐久性を備えている。
固体高分子形燃料電池は、通常、少なくともアノードと、カソードと、電解質膜とを有するものであり、必要に応じて触媒等のその他の構成を有していてもよいものである。本発明において、アノード、カソード、及び触媒等のその他の構成は、特に限定されるものではなく、一般的に固体高分子形燃料電池として公知の構成を適宜選択して用いることができる。
3. Polymer electrolyte fuel cell The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes the electrolyte membrane of the present invention. Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the electrolyte membrane containing the polymer according to the present invention, the polymer electrolyte fuel cell has durability capable of withstanding long-term operation.
The polymer electrolyte fuel cell usually has at least an anode, a cathode, and an electrolyte membrane, and may have other components such as a catalyst as necessary. In the present invention, other configurations such as an anode, a cathode, and a catalyst are not particularly limited, and generally known configurations as solid polymer fuel cells can be appropriately selected and used.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. Note that the present invention is not limited by these descriptions.
(実施例1:ポリマーの合成)
ポリマーの合成について説明する。なおステップ番号は、前記スキーム1を参照する。
<ステップ(i)>
4−tertブチルフェニルボロン酸(11.6g,65mmol)、2−ブロモベンズアルデヒド(9.25g,50mmol)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)(1733mg,1.5mmol)、炭酸ナトリウム(15.9g,150mmol)をジメトキシエタン(65ml)/水(30ml)混合溶媒に混合させた。混合溶液を閉鎖系において窒素バブリング(10分)し、窒素下80℃において12時間反応させた。反応溶液中の溶媒をエバポレーターにて蒸発させた後、残渣をジクロロメタン、水に溶解させる。分液ロートにて有機層を水で数度洗浄した後、エバポレーターでジクロロメタンを蒸発させる。得られた残渣をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン:クロロホルム=4:1)により精製し、目的の下記化合物1(9.77g)を収率82%で得た。
(Example 1: Synthesis of polymer)
The synthesis of the polymer will be described. For the step number, refer to Scheme 1 above.
<Step (i)>
4-tertbutylphenylboronic acid (11.6 g, 65 mmol), 2-bromobenzaldehyde (9.25 g, 50 mmol), tetrakistriphenylphosphine palladium (0) (1733 mg, 1.5 mmol), sodium carbonate (15.9 g, 150 mmol) was mixed with a mixed solvent of dimethoxyethane (65 ml) / water (30 ml). The mixed solution was bubbled with nitrogen (10 minutes) in a closed system and reacted at 80 ° C. for 12 hours under nitrogen. After evaporating the solvent in the reaction solution with an evaporator, the residue is dissolved in dichloromethane and water. The organic layer is washed several times with water using a separatory funnel, and then dichloromethane is evaporated using an evaporator. The obtained residue was purified by column chromatography (developing solvent: hexane: chloroform = 4: 1) to obtain the target Compound 1 (9.77 g) shown below in a yield of 82%.
<ステップ(ii)>
4−tertブチルフェニルボロン酸(9.8g,55mmol)、2−ヨードブロモベンゼン(14.1g,50mmol)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)(1733mg,1.5mmol)、炭酸ナトリウム(15.9g,150mmol)をジメトキシエタン(65ml)/水(30ml)混合溶媒に溶解させる。混合溶液を閉鎖系において窒素バブリングし(10分)し、窒素下80℃において24時間反応させた。反応溶液中の溶媒をエバポレーターにて蒸発させた後、残渣をジクロロメタン、水に溶解させる。分液ロートにて有機層を水で何度洗浄した後、エバポレーターでジクロロメタンを蒸発させた。得られた残渣をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン)により精製し、目的の下記化合物2(7.37g)を収率51%で得た。
<Step (ii)>
4-tertbutylphenylboronic acid (9.8 g, 55 mmol), 2-iodobromobenzene (14.1 g, 50 mmol), tetrakistriphenylphosphine palladium (0) (1733 mg, 1.5 mmol), sodium carbonate (15.9 g) , 150 mmol) is dissolved in a mixed solvent of dimethoxyethane (65 ml) / water (30 ml). The mixed solution was bubbled with nitrogen in a closed system (10 minutes) and reacted at 80 ° C. for 24 hours under nitrogen. After evaporating the solvent in the reaction solution with an evaporator, the residue is dissolved in dichloromethane and water. The organic layer was washed several times with water using a separatory funnel, and then dichloromethane was evaporated using an evaporator. The obtained residue was purified by column chromatography (developing solvent: hexane) to obtain the target Compound 2 (7.37 g) shown below in a yield of 51%.
<ステップ(iii)>
前記化合物1(7.15g,30mmol)、フェロセン(186mg.1mmol)をアセトニトリル(10ml)に溶解させ、tertブチルヒドロペルオキシド(3g,33mmol)デカン溶液を加え70℃にて12時間反応させた。この後、tertブチルヒドロペルオキシド(3g,33mmol)デカン溶液を再度反応溶液中に添加し、70℃にて12時間反応させた。反応後、アセトニトリルをエバポレーターにて蒸発させた後、残渣をカラムクロマトグラフィー(ヘキサン:クロロホルム=3:1)にて精製した。精製後の化合物をヘキサン中にて再結晶することで純度の高い下記化合物3(4.86g)を収率68%で得た。
<Step (iii)>
Compound 1 (7.15 g, 30 mmol) and ferrocene (186 mg. 1 mmol) were dissolved in acetonitrile (10 ml), a tertbutyl hydroperoxide (3 g, 33 mmol) decane solution was added, and the mixture was reacted at 70 ° C. for 12 hours. Thereafter, a tert-butyl hydroperoxide (3 g, 33 mmol) decane solution was again added to the reaction solution and reacted at 70 ° C. for 12 hours. After the reaction, acetonitrile was evaporated by an evaporator, and the residue was purified by column chromatography (hexane: chloroform = 3: 1). The
<ステップ(iv)〜ステップ(v)>
前記化合物2(5.78g,20mmol)、マグネシウム(5.34g,22mmol)、ヨウ素(100mg)を超脱水THF(20ml)に混合させ窒素下にて6時間還流させる。この反応により得られたグリニャール溶液を室温に冷却し、化合物3(4.77g,20mmol)を添加してそのまま室温にて3時間反応させた。反応溶液に水をわずかに加え、5分撹拌した後溶媒をエバポレーターにて蒸発させた。
得られた残渣をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム:ヘキサン=1:1)にて精製し、下記化合物4(4.77g,17mmol)を収率85%で得た。
<Step (iv) to Step (v)>
Compound 2 (5.78 g, 20 mmol), magnesium (5.34 g, 22 mmol) and iodine (100 mg) are mixed with ultra-dehydrated THF (20 ml) and refluxed for 6 hours under nitrogen. The Grignard solution obtained by this reaction was cooled to room temperature, compound 3 (4.77 g, 20 mmol) was added, and the mixture was allowed to react at room temperature for 3 hours. Water was slightly added to the reaction solution, and after stirring for 5 minutes, the solvent was evaporated with an evaporator.
The obtained residue was purified by column chromatography (developing solvent: chloroform: hexane = 1: 1) to obtain the following compound 4 (4.77 g, 17 mmol) in a yield of 85%.
<ステップ(vi)>
前記化合物4(6.70g,15mmol)を酢酸に混合させ、80℃にて溶解させた。この溶液に濃塩酸を加え、60分撹拌させた。この際、目的物の白色固体が沈殿した。この沈殿固体をろ過にて回収し、水で何度か洗浄した。これにより高純度の下記化合物5(6.17g)を収率96%で得た。
<Step (vi)>
Compound 4 (6.70 g, 15 mmol) was mixed with acetic acid and dissolved at 80 ° C. Concentrated hydrochloric acid was added to this solution and allowed to stir for 60 minutes. At this time, the target white solid precipitated. The precipitated solid was collected by filtration and washed several times with water. As a result, the following compound 5 (6.17 g) having a high purity was obtained in a yield of 96%.
<ステップ(vii)>
前記化合物5(6.0g,14mmol)、塩化鉄(III)(162mg,1mmol)をクロロホルム(100ml)に溶解させた。臭素(6.39g,40mmol)を添加し、4時間室温にて反応を行った。次いで、反応溶液にチオ硫酸ナトリウム水溶液を臭素の赤色が退色するまで添加した。その後、分液ロートにて有機層を水で3回洗浄した。有機層中のクロロホルムをエバポレーターにて蒸発させた後、カラムクロマトをカラムクロマトグラフィー(展開溶媒;ヘキサンで展開した後、ヘキサン:クロロホルム=4:1で展開)により精製し、目的の下記化合物6(7.63g)を収率93%で得た。当該化合物6の1H−NMRを図5に示す。
<Step (vii)>
Compound 5 (6.0 g, 14 mmol) and iron (III) chloride (162 mg, 1 mmol) were dissolved in chloroform (100 ml). Bromine (6.39 g, 40 mmol) was added, and the reaction was performed at room temperature for 4 hours. Next, an aqueous sodium thiosulfate solution was added to the reaction solution until the red color of bromine faded. Thereafter, the organic layer was washed with water three times with a separatory funnel. After the chloroform in the organic layer was evaporated by an evaporator, the column chromatography was purified by column chromatography (developing solvent: developed with hexane and then developed with hexane: chloroform = 4: 1), and the target compound 6 ( 7.63 g) was obtained with a yield of 93%. A 1 H-NMR spectrum of the compound 6 is shown in FIG.
<ステップ(viii)>
3,5−ジブロモトルエン(10.7g,43mmol)、ビス(ピナコラート)ジボラン(25.4g,100mmol)、酢酸カリウム(19.6g,200mmol)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)(2.30g,2mmol)を超脱水ジオキサン(100ml)に混合させた。混合溶液を10分間窒素バブリングし、80℃窒素下にて反応を18時間行った。反応溶液中のジオキサンをエバポレーターで蒸発させた後、ジクロロメタンで抽出し、食塩水で洗浄を行った。有機層中のジクロロメタンをエバポレーターで蒸発させた後、残渣をクロマトグラフィー(展開溶媒:初めヘキサン、その後ヘキサン:クロロホルム=1:1)により精製し、目的の下記化合物7(10.5g)を収率71%で得た。当該化合物7の1H−NMRを図6に示す。
<Step (viii)>
3,5-dibromotoluene (10.7 g, 43 mmol), bis (pinacolato) diborane (25.4 g, 100 mmol), potassium acetate (19.6 g, 200 mmol), tetrakistriphenylphosphine palladium (0) (2.30 g, 2 mmol) was mixed with ultra-dehydrated dioxane (100 ml). The mixed solution was bubbled with nitrogen for 10 minutes, and the reaction was performed under nitrogen at 80 ° C. for 18 hours. Dioxane in the reaction solution was evaporated with an evaporator, extracted with dichloromethane, and washed with brine. After evaporating dichloromethane in the organic layer with an evaporator, the residue was purified by chromatography (developing solvent: first hexane, then hexane: chloroform = 1: 1) to obtain the target compound 7 (10.5 g) shown below in a yield. Obtained at 71%. A 1 H-NMR spectrum of the
<ステップ(ix)>
前記化合物6(モノマー6)(1173mg,2mmol)、前記化合物7(モノマー7)(688g,2mmol)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0)(231mg,0.2mmol)、炭酸カリウム(1.38g,10mmol)、及び18−クラウン−6(52.8mg,0.2mmol)をトルエン(20ml)/水(8ml)混合溶媒に溶解させた。反応溶液を閉鎖系にて10分以上窒素バブリングした後、窒素下100℃にて60時間反応させた。反応後の溶液を分液ロートに移して水層を除去した後、有機層を1Mの塩酸で3回、その後、水で3回洗浄した。有機層中のトルエンをエバポレーターで濃縮し、メタノール中に再沈殿させた。その後、得られた固体をクロロホルムに溶解させ、ヘキサン、アセトンに同様に再沈殿させ、モノマー、オリゴマーを除去した。得られた固体を100℃下で真空乾燥させることで目的の下記ポリマー1(490mg)を得た。当該ポリマー1の1H−NMRを図7に示す。
<Step (ix)>
Compound 6 (monomer 6) (1173 mg, 2 mmol), Compound 7 (monomer 7) (688 g, 2 mmol), tetrakistriphenylphosphine palladium (0) (231 mg, 0.2 mmol), potassium carbonate (1.38 g, 10 mmol) ) And 18-crown-6 (52.8 mg, 0.2 mmol) were dissolved in a mixed solvent of toluene (20 ml) / water (8 ml). The reaction solution was bubbled with nitrogen for 10 minutes or more in a closed system, and then reacted at 100 ° C. for 60 hours under nitrogen. The solution after the reaction was transferred to a separatory funnel to remove the aqueous layer, and then the organic layer was washed 3 times with 1M hydrochloric acid and then 3 times with water. Toluene in the organic layer was concentrated with an evaporator and reprecipitated in methanol. Thereafter, the obtained solid was dissolved in chloroform and reprecipitated in hexane and acetone in the same manner to remove monomers and oligomers. The obtained solid was vacuum dried at 100 ° C. to obtain the target polymer 1 (490 mg) shown below. The 1 H-NMR of the polymer 1 is shown in FIG.
<ステップ(x)>
前記ポリマー1(206mg)をクロロベンゼン(15ml)に溶解させ、N−ブロモスクシンイミド(214mg,3mmol)、アゾビスイソブチロニトリル(2mg)を加える。反応溶液を閉鎖系窒素下110℃において4時間反応させた。
反応後の溶液をエバポレーターにて濃縮した後、メタノール中に再沈殿した。得られた固体をクロロホルムに溶解させ、もう一度再沈殿させた。得られた固体を40℃で真空乾燥させることで目的の下記ポリマー2(201mg)を得た。
<Step (x)>
The polymer 1 (206 mg) is dissolved in chlorobenzene (15 ml), and N-bromosuccinimide (214 mg, 3 mmol) and azobisisobutyronitrile (2 mg) are added. The reaction solution was reacted at 110 ° C. for 4 hours under closed system nitrogen.
The solution after the reaction was concentrated with an evaporator and then reprecipitated in methanol. The obtained solid was dissolved in chloroform and reprecipitated once more. The obtained solid was vacuum dried at 40 ° C. to obtain the target polymer 2 (201 mg).
<ステップ(xi)>
前記ポリマー2(200mg)をテトラヒドロフラン(10ml)に溶解させ、30wt%トリメチルアミン水溶液(0.5ml)を添加する。反応溶液を室温にて1時間反応させた後、エバポレーターにて溶媒を除去し。得られた固体を1M水酸化ナトリウム溶液に室温24時間浸漬させることで、ポリマー中のアニオンを臭化物イオンから水酸化物イオンに交換させる。その後、ろ過にて固体を回収し、純水に6時間浸漬させた後再度固体を回収する。得られた固体を40℃にて真空乾燥させることで、一般式(1)で表される構成単位を有するポリマー3(180mg)を得た。当該ポリマー3の1H−NMRを図8に示す。
<Step (xi)>
The polymer 2 (200 mg) is dissolved in tetrahydrofuran (10 ml), and a 30 wt% trimethylamine aqueous solution (0.5 ml) is added. After the reaction solution was reacted at room temperature for 1 hour, the solvent was removed with an evaporator. The obtained solid is immersed in a 1 M sodium hydroxide solution at room temperature for 24 hours to exchange the anion in the polymer from bromide ion to hydroxide ion. Thereafter, the solid is recovered by filtration, immersed in pure water for 6 hours, and then recovered again. The obtained solid was vacuum-dried at 40 ° C. to obtain Polymer 3 (180 mg) having a structural unit represented by General Formula (1). The 1 H-NMR of the
[アルカリ耐性評価]
上記実施例1で得られた上記ポリマー3を、1MのNaOH溶液に浸漬させて、80℃で1週間撹拌した。浸漬前後のポリマー3の1H−NMRを測定した。結果を図1に示す。浸漬前後の1H−NMRの比較から、主鎖由来のピーク(図1中の6.5〜8ppm付近のブロードなピーク)に大きな変化は見られず、また、イオン官能基(トリメチルアンモニウム基)由来の3〜3.5ppm付近のブロードなピーク(図1中のaのピーク)にシフトが見られるものの相対的な積分比が変化している様子は見られないことから、このポリマーが塩基に対して優れた耐久性を有することが明らかとなった。
[Alkali resistance evaluation]
The
[ラジカル耐性評価]
上記実施例1で得られた上記ポリマー3を、3wt%H2O2+FeSO4 10ppm溶液に浸漬させて、60℃で8時間撹拌した。浸漬前後のポリマー3の1H−NMRを測定した。結果を図2に示す。浸漬前後の1H−NMRの比較から、トリメチルアンモニウム基由来の3〜3.5ppm付近のブロードなピーク(図2中のaのピーク)に変化がみられるものの、主鎖由来のピーク(図1中の6.5〜8ppm付近のブロードなピーク)に大きな変化は見られず、ラジカル耐性に優れていることが明らかとなった。
[Radical resistance evaluation]
The
[溶媒溶解性評価]
上記実施例1で得られた上記ポリマー3を各種溶媒に加えて溶解性を評価したところ、クロロホルム及びテトラヒドロフラン(THF)に対して、50mg/ml以上の高い溶解性を有することが明らかとなった。また、触媒粒子の分散に汎用される1−プロパノールと、テトラヒドロフランの混合溶媒(1:3)にも20mg/ml以上の優れた溶解性を示した。本発明のポリマーは、少なくともこれらの溶媒に溶解することができるため、成膜時のハンドリング性に優れている。一方、上記ポリマー3は電池燃料として使用されるメタノールには不溶であり、燃料電池用の材料として適している。
[Solvent solubility evaluation]
When the
[燃料電池性能評価]
上記実施例1で得られた上記ポリマー3をアイオノマーとして用い、メタノールを燃料とした固体高分子形燃料電池(以下、液体燃料電池という)を作製した。
電解質膜には、架橋型ポリビニルベンジルアンモニウムクロリドをポリエチレン製多孔質基材に充填した細孔フィリング膜(厚み25μm)を使用した。アノード電極触媒層は白金ルテニウム担持カーボンと上記ポリマー3の分散液(溶媒:THF)を電解質膜の片面にスプレー塗布することで作製した(金属担持量1.9mg/cm2)。カソ―ド電極触媒層は、白金鉄カーボンフリーカプセルと上記ポリマー3の分散溶液(溶媒:THF:1−プロパノール=3:7)を膜の反対面にスプレー塗布することで作製した(金属担持量1.1mg/cm2)。作製した膜電極複合体(MEA)を100℃、2kNで1分間ホットプレスすることで密着させた後、アノード拡散層Sigracet 29AA(SGLカーボン製;PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)処理なしカーボンペーパー)、カソード拡散層Sigracet 29BC(SGLカーボン製;MPL(マイクロポーラス層)付きカーボンペーパー)でMEAを挟み、ElectroChem,Inc.製の単セル(電極面積5cm2)にセットした。アノードには、2Mメタノール/2M水酸化カリウム(KOH)混合燃料を10ml/分で、カソードには加湿酸素(100R.H.)を500ml/分で供給し、80℃にて発電試験を行った。結果を図3に示す。また、更に、1日10時間以上の運転を継続し、3日後、及び1週間後において前記と同様の発電試験を行って、MEAの耐久性を評価した。初日の結果を図3に、3日後と1週間後の結果を合わせた結果を図4に示す。
図3に示すように本発明のポリマー3を用いて得られた液体燃料電池は、開回路起電圧0.8V,出力70mW/cm2の性能が得られた。また図4に示されるように1日10時間以上の発電を1週間継続した後も、開回路起電圧、出力がほとんど変化しなかったことから、ポリマー3をアイオノマーとして用いることで耐久性の高い液体燃料電池の作製が可能となった。
[Fuel cell performance evaluation]
Using the
As the electrolyte membrane, a pore filling membrane (thickness 25 μm) in which a polyethylene porous substrate was filled with a crosslinked polyvinylbenzylammonium chloride was used. The anode electrode catalyst layer was prepared by spray-coating platinum ruthenium-supported carbon and the
As shown in FIG. 3, the liquid fuel cell obtained by using the
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